(57)【要約】【課題】廃熱発電装置において、緊急停止時に作動媒体流路の圧力上昇を抑制し、作動媒体流路等の損傷を防止する。【解決手段】遮断弁７によって発電装置２への作動媒体の供給が停止しかつバイパス弁９によってバイパス流路８が閉鎖されている状態において、発電装置２を迂回して作動媒体を発電装置２の下流側に流す補助迂回機構２０を備える。【選択図】図２
2013007369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃熱媒体と作動媒体との熱交換を行うことにより前記作動媒体の蒸気を生成する蒸発器と、該蒸気の熱エネルギーから電力を生成する発電装置と、該発電装置を介した前記蒸気と冷却媒体との熱交換を行うことにより前記蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプと、前記発電装置への前記作動媒体の供給を遮断する遮断弁と、前記発電装置を迂回して前記作動媒体を前記凝縮器に向けて案内するバイパス流路と、当該バイパス流路の開閉を行うバイパス弁とを備える廃熱発電装置であって、
前記遮断弁によって前記発電装置への前記作動媒体の供給が停止しかつ前記バイパス弁によって前記バイパス流路が閉鎖されている状態において、前記発電装置を迂回して前記作動媒体を前記発電装置の下流側に流す補助迂回機構を備えることを特徴とする廃熱発電装置。
【請求項２】
前記補助迂回機構は、
前記発電装置の上流側と下流側とを連結する補助バイパス流路と、
前記発電装置の上流側における圧力が定常圧力以上の規定圧力を超えた際に前記補助バイパス流路を開放する逆止弁と
備えることを特徴とする請求項１記載の廃熱発電装置。
【請求項３】
前記補助迂回機構は、前記発電装置の下流側に流す前記作動媒体を前記凝縮器の上流側に案内することを特徴とする請求項１または２記載の廃熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、工場や焼却施設等で放出される廃熱エネルギーを回収して発電が行われており、この発電によって得られた電気エネルギーが再利用されることで省エネルギーが図られている。このような工場や施設では、発電機を駆動するため、高圧の蒸気を生成しやすいということから約３００℃以上（場合によっては１０００℃近く）の廃熱が発電に用いられており、約３００℃以下の低温廃熱はその多くが依然として大気中に放出されていた。よって、従来は殆ど回収されていなかった低温廃熱の廃熱エネルギーを回収して発電を行えば、更なる省エネルギーを実現することができると考えられている。
【０００３】
以下の特許文献１には、低沸点の作動媒体を用いたランキンサイクルによって、３００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを用いて発電を行う廃熱発電装置が開示されている。
このようなランキンサイクルを用いる廃熱発電装置では、特許文献１に示すように、廃熱媒体と作動媒体との熱交換を行うことにより作動媒体の蒸気を生成する蒸発器と、蒸気の熱エネルギーから電力を生成する発電装置と、発電装置を介した蒸気と冷却媒体との熱交換を行うことにより蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮器で凝縮された作動媒体を蒸発器に向けて送出するポンプとを備えている。
【０００４】
一方で、廃熱発電装置を緊急停止させる必要が生じる場合がある。例えば、廃熱発電装置が、外部電源と同一系統で電力を工場等に供給するように接続されている場合には、規則上、外部電源からの電力供給が停止した場合に廃熱発電装置を停止させる必要がある。
このような場合には、発電装置への作動媒体の供給を停止することによって発電を停止することとなる。このため、例えば、廃熱発電装置は、特許文献２に示すような、発電装置への作動媒体の供給を停止する遮断弁と、発電装置を迂回させて作動媒体を流すバイパス流路とを備えることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１１０５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
定常時には、バイパス流路に作動媒体を流す必要がないことから、バイパス流路を閉鎖しておく必要がある。このため、バイパス流路には、当該バイパス流路の開閉を行うバイパス弁が設置されている。
しかしながら、一般的に、遮断弁及びバイパス弁は、電力によって駆動される電磁弁が使用されており、制御装置の制御の下、開閉状態が規定される。このため、緊急停止の際に、遮断弁とバイパス弁との制御タイミングにずれが生じると、遮断弁及びバイパス弁の両方が閉鎖状態となる可能性がある。このような遮断弁及びバイパス弁の両方が閉鎖状態となると、作動媒体の逃げ場がなくなり、作動媒体流路の圧力が上昇し、作動媒体流路等を損傷するおそれがある。
【０００７】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、廃熱発電装置において、緊急停止時に作動媒体流路の圧力上昇を抑制し、作動媒体流路等の損傷を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、廃熱発電装置に係る第１の解決手段として、廃熱媒体と作動媒体との熱交換を行うことにより前記作動媒体の蒸気を生成する蒸発器と、該蒸気の熱エネルギーから電力を生成する発電装置と、該発電装置を介した前記蒸気と冷却媒体との熱交換を行うことにより前記蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプと、前記発電装置への前記作動媒体の供給を遮断する遮断弁と、前記発電装置を迂回して前記作動媒体を前記凝縮器に向けて案内するバイパス流路と、当該バイパス流路の開閉を行うバイパス弁とを備える廃熱発電装置であって、前記遮断弁によって前記発電装置への前記作動媒体の供給が停止しかつ前記バイパス弁によって前記バイパス流路が閉鎖されている状態において、前記発電装置を迂回して前記作動媒体を前記発電装置の下流側に流す補助迂回機構を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明では、廃熱発電装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記補助迂回機構が、前記発電装置の上流側と下流側とを連結する補助バイパス流路と、前記発電装置の上流側における圧力が定常圧力以上の規定圧力を超えた際に前記補助バイパス流路を開放する逆止弁と備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明では、廃熱発電装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記補助迂回機構が、前記発電装置の下流側に流す前記作動媒体を前記凝縮器の上流側に案内することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、遮断弁によって発電装置への作動媒体の供給が停止しかつバイパス弁によってバイパス流路が閉鎖されている状態において、発電装置を迂回して作動媒体を発電装置の下流側に流す補助迂回機構を備える。このため、遮断弁及びバイパス弁の両方が閉鎖状態であったとしても、補助迂回機構により作動媒体を逃がすことが可能となり、作動媒体流路の圧力上昇を抑えることができる。
したがって、本発明によれば、廃熱発電装置において、緊急停止時に作動媒体流路の圧力上昇を抑制し、作動媒体流路等の損傷を防止することができる。
【００１２】
また、本発明によれば、補助迂回機構によって発電装置を迂回した作動媒体が、発電装置の下流側に案内される。
このため、作動媒体が当該作動媒体の流路から漏れ出すことがないため、周辺環境への影響をなくし、また廃熱発電装置の再起動を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における廃熱発電装置の全体構成の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における廃熱発電装置の外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態における廃熱発電装置の動作を説明するためのブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態における廃熱発電装置の動作を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置Ｇの全体構成の概要を示すブロック図である。また、図２は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置Ｇの外観を示す斜視図である。
これらの図に示すように、本実施形態の廃熱発電装置Ｇは、蒸発器１、タービン発電機２（発電装置）、凝縮器３、ポンプ４及びリザーバタンク５を備えるランキンサイクルを利用した発電装置であり、工場や焼却施設等から放出される約３００℃以下の廃熱媒体（温水Ｘ）の熱エネルギーを用いて発電を行う。なお、廃熱媒体は、温水Ｘに限られるものではなく、工場や焼却施設等から放出されるガスを用いることもできる。
【００１５】
蒸発器１は、工場等から放出される温水Ｘとポンプ４から送出される作動媒体Ｙとが別経路にて供給され、内部にて熱交換を行うことで作動媒体Ｙの蒸気を生成するものである。
蒸発器１は、図２に示すように、複数（本実施形態では２つ）設けられおり、架台６によって支持されて配置されている。
各蒸発器１は、図３に示すように、水平方向を向く正面１Ａと当該正面１Ａの裏側に位置する背面１Ｂとを有する箱型に形状設定されている。そして、各蒸発器１においては、温水Ｘと作動媒体Ｙとの出入口が正面１Ａに集約されて設けられている。
【００１６】
また、図２に示すように、廃熱発電装置Ｇは、蒸発器１に温水Ｘを供給するための温水供給配管１１（流路配管）と、蒸発器１から温水Ｘを回収するための温水回収配管１２（流路配管）とを備えている。
そして、図２に示すように、２つの蒸発器１は、温水Ｘの流路配管に対して並列接続されている。
【００１７】
また、図２に示すように、廃熱発電装置Ｇは、作動媒体Ｙを循環する循環配管１３（作動媒体流路）を備えている。
そして、図２に示すように、２つの蒸発器１は、作動媒体Ｙの流路配管に対して並列接続されている。
【００１８】
タービン発電機２は、蒸発器１で生成された蒸気を膨張させつつ発電を行うものであり、図２に示すように、循環配管１３の途中部位に配置されている。より詳細には、タービン発電機２は、作動媒体Ｙの流れ方向において、蒸発器１と凝縮器３との間に配置されている。
そして、このタービン発電機２は、架台６に支持されることによって、蒸発器１及び凝縮器３よりも僅かに上方に配置されている。これによって、循環配管１３内で作動媒体Ｙが凝集しても、液体の状態で作動媒体Ｙがタービン発電機２に供給されることを防止できる。
【００１９】
凝縮器３は、冷却水Ｚ（冷却媒体）とタービン発電機２を介した後の蒸気（作動媒体Ｙ）とが別経路にて供給され、内部にて熱交換を行うことで作動媒体Ｙを凝縮させるものである。
【００２０】
凝縮器３は、図２に示すように、複数（本実施形態では４つ）設けられており、架台６によって支持されて配置されている。
各凝縮器３は、図３に示すように、水平方向を向く正面３Ａと当該正面３Ａの裏側に位置する背面３Ｂとを有する箱型に形状設定されている。そして、各凝縮器３においては、冷却水Ｚと作動媒体Ｙとの出入口が正面３Ａに集約されて設けられている。
【００２１】
また、図２に示すように、廃熱発電装置Ｇは、凝縮器３に冷却水Ｚを供給するための冷却水供給配管１４（流路配管）と、凝縮器３から冷却水Ｚを回収するための冷却水回収配管１５（流路配管）とを備えている。
そして、４つの凝縮器３は、冷却水Ｚの流路配管に対して並列に接続されている。また、４つの凝縮器３は、作動媒体Ｙの流路配管に対して並列接続されている。
【００２２】
そして、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、図２及び図３に示すように、蒸発器１の背面１Ｂと凝縮器３の背面３Ｂとが対向するように、蒸発器１と凝縮器３とが対向配置されている。
つまり、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、媒体の出入口（廃熱媒体、作動媒体及び冷却媒体の出入口）が蒸発器１及び凝縮器３の正面に集約され、媒体の出入口が設けられていない蒸発器１及び凝縮器３の背面３Ｂ同士が対向されている。
【００２３】
ポンプ４は、凝縮器３で凝縮された作動媒体Ｙを加圧して蒸発器１に向けて送出するものであり、架台６によって支持されて配置されている。
このポンプ４は、図２に示すように、循環配管１３の最下部に配置されており、具体的には作動媒体Ｙの流れ方向においてリザーバタンク５と蒸発器１との間に配置されている。
【００２４】
リザーバタンク５は、作動媒体Ｙを一時的に貯留するものであり、作動媒体Ｙの流れ方向において凝縮器３とポンプ４との間に配置されている。このリザーバタンク５は、循環配管１３の途中部位に接続されており、凝縮器３の下方に配置されるように架台６によって支持されている。
【００２５】
また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇは、遮断弁７、バイパス流路８、バイパス弁９及び補助迂回機構２０を備えている。
【００２６】
遮断弁７は、緊急時等にタービン発電機２への作動媒体Ｙの供給を遮断するものであり、タービン発電機２の上流側において循環配管１３に対して設けられている。なお、本実施形態において遮断弁７は、不図示の制御装置によって電気的に開閉状態を制御される電子制御弁とされている。
【００２７】
バイパス流路８は、遮断弁７によって循環配管１３が閉鎖された際にタービン発電機２を迂回して作動媒体Ｙを凝縮器３に向けて案内するための流路であり、タービン発電機２を挟んで循環配管１３に対して接続されている。
【００２８】
バイパス弁９は、バイパス流路８に対して設けられており、不図示の制御装置の下、バイパス流路８の開閉を電子制御弁である。
このバイパス弁９は、遮断弁７が循環配管１３を開放している状態においてバイパス流路８を閉鎖し、遮断弁７が循環配管１３を閉鎖している状態においてバイパス流路８を開放する。
【００２９】
補助迂回機構２０は、遮断弁７によってタービン発電機２への作動媒体Ｙの供給が停止しかつバイパス弁９によってバイパス流路８が閉鎖されている状態において、タービン発電機２を迂回して作動媒体Ｙをタービン発電機２の下流側に流すものである。
より詳細には、本実施形態における補助迂回機構２０は、補助バイパス流路２１と、逆止弁２２とを備えている。
【００３０】
補助バイパス流路２１は、タービン発電機２を挟んで循環配管１３に接続されている。つまり、補助バイパス流路２１は、タービン発電機２の上流側と下流側とを連結している。
なお、補助バイパス流路２１は、タービン発電機２の下流側において、凝縮器３の上流側にて循環配管１３と接続されている。つまり、補助迂回機構２０は、タービン発電機２の下流側に流す作動媒体Ｙを凝縮器３の上流側に案内するように構成されている。
【００３１】
逆止弁２２は、タービン発電機２の上流側の圧力が高くなった場合に開放され、タービン発電機２の上流側から下流側に向けてのみ作動媒体Ｙを流すものである。
なお、逆止弁２２は、タービン発電機２の上流側における圧力が定常圧力である場合には開放せず、定常圧力以上の規定圧力を受けた場合に開放するように抵抗力が設定されている。ここで、定常圧力とは、廃熱発電装置Ｇが定常運転している場合の圧力を意味している。また、規定圧力は、定常圧力以上であってかつ循環配管１３等の耐圧性能を上回らない範囲に設定されている。
【００３２】
なお、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいて、作動媒体Ｙとしては、約３００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを利用した発電を可能とすべく、沸点が低いものを用いることが好ましい。
具体的には、作動媒体Ｙとして、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロカーボン、フルオロケトン、パーフルオロポリエーテル等を用いることができる。
【００３３】
次に、本実施形態の廃熱発電装置Ｇの動作について図３及び図４を参照して説明する。なお、図３（ａ）は定常運転時の動作を説明するための図面であり、図３（ｂ）は緊急停止時の動作を説明するための図面である。また、図４は、何らかの原因によって遮断弁７及びバイパス弁９が閉鎖された状態での動作を説明するための図面である。
【００３４】
まず図３（ａ）を参照して定常運転時の動作について説明する。
定常運転時においては、遮断弁７が開放され、バイパス弁９が遮蔽された状態とされる。
そして、ポンプ４が駆動されると、ポンプ４によって圧送されることで作動媒体Ｙが循環配管１３中を循環する。より詳細には、作動媒体Ｙは、ポンプ４から、蒸発器１、タービン発電機２、凝縮器３、リザーバタンク５の順に圧送されて再びポンプ４に戻る。
一方で、温水供給配管１１を介して蒸発器１に温水Ｘが供給され、冷却水供給配管１４を介して凝縮器３に冷却水Ｚが供給される。このため、蒸発器１において作動媒体Ｙが蒸気とされ、凝縮器３において作動媒体Ｙが凝縮される。
【００３５】
ポンプ４から圧送された作動媒体Ｙは、蒸発器１で蒸発され、蒸気としてタービン発電機２に供給される。タービン発電機２に供給された作動媒体Ｙは、膨張しつつタービン発電機２を駆動する。この結果、タービン発電機２で発電が行われる。タービン発電機２を介した蒸気の作動媒体Ｙは凝縮器３で冷却されることにより凝縮する。凝縮器３によって凝縮された作動媒体Ｙは、ポンプ４によって加圧されて再び蒸発器１に向けて送出される。
このように、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、作動媒体Ｙの蒸発及び凝縮が繰り返されることにより、低温廃熱の廃熱エネルギーを用いた発電が行われる。
【００３６】
また、緊急停止時においては、図３（ｂ）に示すように、遮断弁７が閉鎖され、バイパス弁９が開放された状態となる。
この結果、蒸発器１によって蒸気とされた作動媒体Ｙは、タービン発電機２に供給されることなく、バイパス流路８を介してタービン発電機の下流側に流される。
これによって、タービン発電機２における発電が停止し、電力の出力が停止する。
【００３７】
一方、制御タイミングのばらつき等の何らかの原因によって、遮断弁７及びバイパス弁９が閉鎖された状態となった場合には、作動媒体Ｙの逃げ場がなくなり、タービン発電機２の上流側の圧力が上昇する。
そして、タービン発電機２の上流側の圧力が定常圧力以上に設定された規定圧力を超えると、図４に示すように、タービン発電機２の上流側の圧力によって逆止弁２２が開放され、補助バイパス流路８を介してタービン発電機２の下流側に作動媒体Ｙが流れる。なお、凝縮器３側は作動媒体Ｙの温度がタービン発電機２側よりも低く圧力が低いため、逆止弁２２が開放されれば、作動媒体Ｙが凝縮器３側に流れる。
【００３８】
次に、以上のような本実施形態の廃熱発電装置Ｇの効果について説明する。
本実施形態の廃熱発電装置Ｇは、遮断弁７によってタービン発電機２への作動媒体Ｙの供給が停止しかつバイパス弁９によってバイパス流路８が閉鎖されている状態において、タービン発電機２を迂回して作動媒体Ｙを発電装置の下流側に流す補助迂回機構２０を備える。このため、遮断弁７及びバイパス弁９の両方が閉鎖状態であったとしても、補助迂回機構２０により作動媒体Ｙを逃がすことが可能となり、循環配管１３の圧力上昇を抑えることができる。
したがって、本実施形態の廃熱発電装置Ｇによれば、緊急停止時に循環配管１３等の圧力上昇を抑制し、循環配管１３等の損傷を防止することができる。
【００３９】
また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇによれば、補助迂回機構２０によってタービン発電機２を迂回した作動媒体Ｙが、タービン発電機２の下流側に流される。
このため、作動媒体Ｙが循環配管１３から漏れ出すことがないため、周辺環境への影響をなくし、また廃熱発電装置Ｇの再起動を容易に行うことができる。
【００４０】
また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、補助迂回機構２０が、タービン発電機２の上流側と下流側とを連結する補助バイパス流路２１と、タービン発電機２の上流側における圧力が定常圧力以上の規定圧力を超えた際に補助バイパス流路２１を開放する逆止弁２２と備えている。
このため、補助迂回機構２０を電気的に制御することなく、補助迂回機構２０を動作させることができる。
【００４１】
また、本実施形態の廃熱発電装置Ｇにおいては、補助迂回機構２０が、タービン発電機２の下流側に流す作動媒体Ｙを凝縮器３の上流側に案内する。
補助バイパス流路２１を流れる作動媒体Ｙは、蒸発器１からのものであるため、蒸気である。このため、タービン発電機２の下流側に流す作動媒体Ｙを凝縮器３の上流側に案内することによって、蒸気の作動媒体Ｙを凝縮して確実に液化することが可能となる。
【００４２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態においては、補助迂回機構２０が、タービン発電機２の上流側と下流側とを連結する補助バイパス流路２１と、タービン発電機２の上流側における圧力が定常圧力以上の規定圧力を超えた際に補助バイパス流路２１を開放する逆止弁２２とを備える構成を採用した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、逆止弁に換えて電動弁や電磁弁を使用することも可能である。
【００４４】
また、上記実施形態においては、補助バイパス流路２１が凝縮器３の上流側に作動媒体Ｙを案内する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、補助迂回機構２０によってタービン発電機２を迂回させる作動媒体Ｙを、循環配管１３の途中部位であってリザーバタンク５等の作動媒体Ｙが液体とされている領域に案内するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１……蒸発器、１Ａ……正面、１Ｂ……背面、２……タービン発電機（発電装置）、３……凝縮器、３Ａ……正面、３Ｂ……背面、４……ポンプ、５……リザーバタンク、６……架台、７……遮断弁、８……バイパス流路、９……バイパス弁、１１……温水供給配管（流路配管）、１２……温水回収配管（流路配管）、１３……循環配管（作動媒体流路）、１４……冷却水供給配管（流路配管）、１５……冷却水回収配管（流路配管）、Ｘ……温水（廃熱媒体）、２０……補助迂回機構、２１……補助バイパス流路、２２……逆止弁、Ｙ……作動媒体、Ｚ……冷却水（冷却媒体）
【図１】
2013007369.tif 000003
【図２】
2013007369.tif 000004
【図３】
2013007369.tif 000005
【図４】
2013007369.tif 000006